Введение к работе
Современное состояние оптоэлектроники вообще, а информационной їхники в частности, ставит перед наукой и техникой задачи по исследова-їям и созданию новых и усовершенствованных элементов приема-передачи ^формации большого объема, с обеспечением малогабаритное, ыстродействия и низкоэнергопотребляемости. В этом направлении значи-:льную важность приобретают исследования (и создание соответствующих \ементов на их основе) полей излучения, в качестве управляющего иешнего воздействия на неоднородные полупроводниковые структуры ШС). Передача и прием информации оптическим сигналом обеспечит олыпой объем работы систем, так как имеется множество параметров шплитуда, частота , фаза и др.) возможного модулирования оптического нешнего излучения. А квантовый способ передачи информации на большие асстояния производится с минимальным затратом времени и энергии, [оследние работы в этом направлении более чем убедительны. Однако,, в іастоящее время, и в ближайшем будущем, передача информации квантовыми способами смогут войти в жизнь, а операции с ними вряд ли іудут совершаться исключительно квантовым образом, хотя бы из-за :верхнизкнх температур порядка 10"7К.
С другой стороны оптические запоминающие устройства, оптические :истемы передачи информации и мониторинга среды оптическими ;игналами, стали возможными, в некотором смысле, незаменимыми :редствами и уже твердо вошли в жизнь.
Таким образом, исследования полей излучения в качестве внешнего управляющего воздействия и носителя ипформацпи, на сложные полупроводниковые (п/п) структуры (многослойные структуры, содержащие р-n переходы) с целью создания многоуровневых п/п элементов, обеспечивающих также работу в системе исчисления более 2-х, в настоящее время представляется более чем актуальным.
Оптоэлектронные методы исследовании полей излучения интересны и вс втором аспекте, а именно, выделение и обработка содержащйся в нем информации о. среде, с которой оно взаимодействует. Большое научно-практическое значение имеют такие исследования , проведенные особенно і земной атмосфере.
ЦЕЛЬ настоящей работы является: Исследование влияния поле* излучения на неоднородные п/п структуры и обоснование создания фотоуправляемых многоуровневых элементов - фотополисторов, ДЛЇ применения в качестве элементной базы в информатике, в оптической аналого-цифровой технике и в дискретных фотоприемных устройства» оптико-электронной аппаратуры.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующш задач:
1.Изучение многослойной, в частности, шестислойной р-п-р-п-р-г структуры с целью создания трехуровневого фотоуправляемого элементе (фотополистора), нахождение Вольт-амперной характеристики во внешне?* поле излучения, анализ механизмов токопрохождения и составление модельных уравнений.
2.Исследование фотопроводимости относительно тонкого фотополисторг и рассмотрение возможности создания на его основе оптического аналого цифрового преобразователя в Р-ичной системе исчисления. 3. Экспериментальное исследование оптико-физических свойств газовыз сред с помощью полей излучения, разработка методики и аппаратуры дл5 проведения ИК спектрорадиометрических измерений.
4. Разработка методики и соответствующей аппаратуры для оперативной измерения прозрачности атмосферы в области 8 - 14мкм (по данньв метеорологических и нефелометрических измерений) для оценки СОСТОЯНИ! "оптической погоды", а также показателя рассеяния различных чисты: газов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в следующем:
Исследовано воздействие внешнего ноля излучения в к-ой баз фотополистора, при этом показано, что это влияние входит в ВАХ к-го і
Н)-го переходов пропорционально интенсивности падающего потока с ответствующими коэффициентами.
Изучены некоторые закономерности в трехуровневом фотополисторе.в істности, влияние различных типов и топологии освещения, механизмы жопрохождения, при этом для всех характерных параметров получены ормулы, зависящие от универсальных постоянных, параметров злупроводпикового материала и самой структуры.
Показано, что эффект плазменно-полевого взаимодействия (ЭГШВ) ереносит влияние оптического воздействия в несмежные (несоседние) эласти структуры аналогично электрическому управлению, получены ормулы для характерных токов и напряжений.
Установлено, что
А) вблизи точки максимума (на ВАХ) напряжение на данном переходе и
всей структуры сильно зависит от механизмов токопрохождения
(омический, тепловой с резким переходом, тепловой с плавным
переходом), при этом особенно сильно изменяются температурные и
оптические зависимости напряжения.
Б) вблизи точек минимума рассмотренные механизмы никакую роль не играют.
Разработана методика измерений спектральной плотности энергетической ркости протяженных и точечных источников теплового излучения и галучены соотношения для определения этих величин в зависимости от радупровочных характеристик и параметров аппаратуры, - а также центрального пропускания атмосферы.
Проведен качественный спектральный анализ инфракрасного спектра (в ібласти от 3 до 5мкм) горячих газовых выбросов в атмосферу. Установлено, іто в составе выбрасываемых индустриальной трубой газовых загрязнений іначительное количество составляют углеводороды. Расчитаны тюсительные количества выбрасываемых газов.
Разработана оригинальная методика определения прозрачности горизонтальных трасс приземной атмосферы в ИК диапазоне, по данным прямых измерений метеорологических и нефелометрических параметров атмосферы. Выведено соотношение для определения средней прозрачности атмосферы в области длин волн от 8 до 12мкм.
Разработана методика, установка и проведены экспериментальные исследования светорассеяния чистото воздуха и углекислого газа і диапазоне от 0,35 до ІДмкм, оценена погрешность методики измерений.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные в представленной работе результаты теоретических исследований представляют значительные интерес как с точки зрения развития теории фотоэлектрических свойсті неоднородных полупроводниковых структур, так и по практическому внедрению созданных на их основе новых элементов (фотополисторов) і приборы и системы современной оптоэлектроники,дискретной компютерно» техники и информатики (см. приложение 1 к диссертационной работе).
Результаты экспериментальных исследований, проведенные в настоящее работе, дают возможность созданию ряда приборов и систем (см приложение 2 к диссертационной работе), применяемых при научньи исследованиях оптико-физических свойств газовых сред (в том числе і атмосферы) аэрозольной составляющей и некоторых экологически? параметров атмосферы, в сфере здравоохранения, метеорологии, в сельскол хозяйстве, в военной технике и т.п. Внедрение полученных нами результате] исследований в вышеизложенные области народного хозяйства несомненні могут привести к большой технико-экономической эффективности.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертеционной работ* докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры оптики и і группе прикладной физики и математики Ереванского Государственной Университета. Основные результаты работы докладывались н. Республиканской научно-технической конференции "Метрология и качество (Ереван, 1984г.), на II Республиканской научно-технической конференциі "Современные системы автоматического управления и их элементная база (Ереван, 1986г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы і средства борьбы с помехами в цифровой технике" (Вильнюс, 1986г.), на II Республиканской научно-технической конференции "Новые достижения области приборостроения" (Ереван, 1987г.), на первой национально конференции по полупроводниковой микроэлектронике (Дилижан, 1997г.).
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 1. При освещении к-ой базы фотополистора, ток управления параметрических ВАХ смежных его переходов пропорционален интенсивности / падающего света соответственно с коэффициентами:
VcA^
{у)Шг
1 + уб2і,а2
h vsh w2 /L2 ea{v)r]L2p.
к2 =
w.
ch^-l >0.
hvi02shw2/L2 ^
2. Эффект плазменно-полевого взаимодействия переносит влияние оптического сигнала в несмежные (несоседние) области структуры аналогично электрическому управлению: пэ левому переходу с j , = kj ; по
правому переходу с J 2 =
в +к ІЧ—2- . 2- ЩГ , которая при к2 —> Опереходит в
V Q
случай электрического управления.
З.а. Если оптические окна управления фотополистором разделены
коллектором от эмиттеров с утечкой, то характерные токи точек максимумов
ВАХ не зависят от интенсивности освещения, но напряжения зависят по
разным законам для различных механизмов токопрохождения.
З.б. При размещении оптического окна в смежной базе к эмиттеру с
утечкой, токи и напряжения точек максимумов ВАХ зависят от
интенсивности падающего света. При этом траектории точек монотонные
для безлавинных механизмов (линейная и сублинейная), соответственно для
омического и теплового механизмов, а для лавинного механизма имеет
максимум.
4. Установлено, что:
А) вблизи точки максимума (на ВАХ) напряжение на данном переходе и всей структуры сильно зависит от механизмов токопрохождения (омический, тепловой с резким переходом, тепловой с плавным переходом и др.) при этом особенно сильно изменяются температурные и оптические зависимости напряжения.
Б) вблизи точки минимума рассмотренные механизмы никакую роль н< играют.
5. Для средней ИК области спектра (от 3 до 14мкм) выведены соотношение
для спектральной плотности энергетической яркости точечных і
протяженных тепловых объектов в зависимости от градуировочны;
характеристик и параметров разработанной аппаратуры, а также о-
спектрального пропускания атмосферы.
6. В составе горячих газовых выбросов (индустриальных дымовы:
загрязнений) в атмосферу значительную долю составляют углеводород*
(после группы СО и С02 ) и в несколько малых количествах газы N20 S02. Метод позволяет провести качественную оценку относительны: количеств загрязняющих газов.
7. На основе существующей по данным многолетних экспериментальных j
теоретических исследований, корреляционной связи между показателе!*
ослабления атмосферы в видимой области спектра и аэрозольнш
рассеянием в ИК диапазоне, установлено однозначное соотношение дл:
расчета прозрачности атмосферы в ИК области (на горизонтальных трасса:
приземного слоя) по прямым измерениям метеорологических 1
нефелометрических параметров, при различных ситуациях "оптическої
погоды", а с использованием новых многозначных элементо:
(фотополпсторов) параметры устройства улучшаются на порядок.
ОПУБЛИКОВАНО 24 работ по теме диссертации.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ: Диссертационная работа состой из введения, обзора литературных, материалов, четырех глав и заключении Работа включает в себя список цитируемой литературы, 2 приложений і состоит из 123 страниц, 33 рисунков, 8 таблиц и 124 литературных ссылок